运用虚拟现实技术模拟实验的全部过程,将它变成一套实验的模拟,在进行实验时只要应用传统实验方法,设置实验参数,就能在虚拟化的实验环境中得到实验结果。虚拟实验教学是现代教育技术在实验教学中的呈现,如果理科教师合理应用虚拟实验,可以为学生提供一个更为优化的实验教学空间环境。

  1引言

  当前理科实验分为传统实验与虚拟实验两种。传统实验存在一些弊端,如某些实验对环境要求高、时间长,部分实验参数不可控,操作失误易造成器材损坏甚至危害人身安全、污染环境等。虚拟实验是一种把传统实验的全部过程迁移到虚拟环境中,应用虚拟环境呈现结果的实验方式。随着信息技术的发展,虚拟实验应用多元化的输入、丰富的声光效果、即时的互动回应技术,创造一个接近于实体的空间,这一空间能让人有身临其境的感觉。现代化的虚拟实验可以优化实验空间环境,突破传统实验的限制。

  虚拟实验教学是对实验教学的虚拟,是虚拟实验在教学中的应用。教师可以应用虚拟实验优化实验空间环境,增强实验教学效果。当前虚拟实验技术已经广泛应用在教育领域中,科学技术人员开发出大量的虚拟实验软件,如Stellrium、NOBOOK、Flash、ChemLab等。

  2应用虚拟空间呈现实验情境

  传统的物理实验对实验空间有诸多要求,如果实验环境不能达到需求,则或者不能进行实验,或者实验的数据难以被监测。如以高中物理教师引导学生理解斜抛运动实验为例,在传统实验环境中,学生很难开展斜抛运动实验;在虚拟环境下,教师可以引导学生应用虚拟实验软件的方法做实验。在教师应用虚拟实验软件引导学生做虚拟实验时,学生可以调试发射的力度、斜抛的角度,通过调整实验的因素来观察实验的结果,在反复实验中找到影响实验的因素。

  虚拟技术,可以呈现出接近于真实世界的技术,人们和那个世界是互动的关系。即人们如果在虚拟世界中做一个动作,虚拟世界就能回馈一个和真实世界一样的结果。

  虚拟实验技术包含有数据传感技术、自动化控制技术、交互技术、多媒体技术等,它是信息技术高度发展的呈现。随着信息技术的发展和课程整合成果的不断涌现,虚拟实验对理科实验产生越来越大的影响,虚拟实验技术也越来越成熟、越来越真实,在真实空间不适合做实验的时候,教师可以为学生开辟一个虚拟实验空间,在传统实验环境下不能进行的实验在虚拟环境下都能进行,为学生开展理科实验带来很多便利。

  3应用虚拟空间优化实验情境

  应用虚拟实验突破实验空间限制部分教师会认为,虚拟实验就是假的实验,假的实验又如何能跟真实的实验相比?在真实实验中,学生能够实实在在地做实验,观察实验变化,获得实验数据,虽然获得实验数据的过程可能非常艰难,甚至不精确,然而实验的数据不是假的。虚拟实验就是假的事物,学生如何能通过虚拟的实验数据获得科学知识?

  为了说明虚拟实验可突破空间的限制,且具有科学性,现应用虚拟软件Stellarium来说明。这款软件可以真实地模拟星空运行的情况,即它可虚拟出星空中所有行星及卫星的运动。以应用这款虚拟实验软软件研究行星与行星间的引力及公转、自转的原理为例,它允许学生定义地球自转的所有参数;允许学生自设一个人造卫星,设定人造卫星的所有参数;允许学生在发射人造卫星以前设定初始自转速度与公转速度;允许学生设定初始的高度。当学生设定完所有的实验参数据,按“发射”软件,人造卫星便按设定的参数发射出去,开始围绕地球进行公转、自转。学生可以设定天体运行图的比例、公转和自转的时间比例。

  虚拟软件不是“假”的數据,是科学家在科学分析事物的基础上模拟真实实验情况,在获得科学实验模型的基础上编写的实验软件。虚拟实验软件给出的数据与真实的实验数据极其相近。就像这一款虚拟应用软件,它的数据变化与天文台监测的天文数据极其相近。因为虚拟软件具有真实性与科学性,虚拟软件只是把实体软件的实验内容转移到虚拟的空间中,让学生可以在虚拟的环境中做实验,所以教师不必担心虚拟软件会给出虚假实验的场景,更不必担心会误导学生。教师在教学中可以应用虚拟软件引导学生做实验,突破空间限制,让学生可以用做探索实验的方法学习理科知识。

  应用虚拟实验突破实验时间限制在传统的实验中,时间因素是不可控制的。部分实验的因素时间变化速度太快,学生来不及计时;部分实验的因素时间较难掌握,这就给学生探究实验带来不少障碍。虚拟实验允许学生自动设定时间,能为学生记录所有实验数据,允许学生应用回放的方式重新观察时间。当学生能够突破实验时间的限制时,就能够科学地分析因素与因素之间的关系。

  以教师应用虚拟软件(如NOBOOK)学习“孟德尔的豌豆杂交实验”为例,如果依照传统的实验方法,学生必须去种豌豆,了解豌豆杂交的成果;在虚拟实验环境下,学生只需要选择需要杂交的品种,就能迅速获得实验的结果。学生既可以选择光滑的豌豆与皱皮豌豆杂交,也可以选择红色果蝇和白色果蝇杂交。只要是在软件允许的范围内,学生都可以完成杂交实验。虚拟软件的杂交是在瞬间完成的,软件运算杂交的结果只需要一两秒钟。学生可以根据需求重置以上所有参数,反复观察实验数据。

  从这一则实验的结果可以看到,学生可以把所有的时间因素控制在手中,可以加快或放慢实验的时间,可根据需求重置实验,可控制几乎所有的实验时间因素。

  在传统实验中,学生因为受到时间因素的限制,出现种种实验问题,如果不能克服时间因素的限制,就不能精确地观察时间。虚拟实验把时间控制的权力交到学生手中,学生可以加快、放慢实验的时间,从而能更精确地观察实验的过程。虚拟软件帮助学生突破了时间因素的限制,让学生可以更从容地观察理科实验。

  应用虚拟实验突破实驗因素限制虚拟实验软件的特点是可以让学生自由选择所有实验的因素,帮助学生记录所有的实验因素数据,记录所有实验生成结果的数据。因为虚拟实验软件实时记录数据的能力很强,所以学生能排除一切不利于实验的因素。

  人教版《化学》(选修四)中“影响化学反应速率的因素”是高中化学的重要章节,高考会考的必考知识点。影响化学反应速率的因素有反应物的浓度、气体压强、温度、催化剂等。如何深入理解,巩固知识,提高学习效率,是教师必须认真思考的问题。课堂讲解、习题练习是常用方法,但是如果教师能为学生提供实验操作,让学生亲自动手实验感知“影响因素”,更胜于千题百练。

  在教学中,教师引导学生学习“浓度对化学反应速率的影响”,有一实验:

  2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4===K2SO4+2MnSO4+10CO2↑+8H2O

  思考如何用不同浓度的草酸(H2C2O4)溶液参与该反应,了解反应物的浓度对实验反应速度的影响。

  结合学习需求及虚拟软件(如NOBOOK或ChemLab)的功能,学生在虚拟软件中找到实验道具,即试管+试管架、量筒等实验用品。学生需要在实验中设置实验对象的形态、容量、浓度,针对某些因素进行实验,了解因素的变化对实验结果的影响;了解实验的原理、目的、步骤,如实验不能满足研究的需求,需通过探讨优化实验设计。

  在“压强对化学反应速率的影响”的教学中有一经典实验反应:N2+3H2===2NH3。在传统的化学实验环境中可能很难完成该实验,但在虚拟实验环境中,学生可以精确地控制反应物的浓度、气体压强、温度、催化剂等条件,改变实验因素观察实验结果的变化。虚拟实验的实验控制结果是精确的,学生只要完成实验设计,在虚拟环境中操作实验过程,就能快速得到实验结果;当学生需要反复进行同一个实验,只需要调整其中某项实验因素参数时,只要手动更改这一个因素参数,不需再反复地做实验,就能得到实验的结果。因为虚拟实验可以精确地控制每一个实验因素变量,所以能帮助学生节省大量的实验操作,学生能把更多的时间用在分析数据、优化实验方案上。

  传统的实验中,学生哪怕只需要更改一个实验因素,就需要反复做实验,在做实验的过程中需要非常谨慎地控制实验流程,避免因操作不严谨,导致实验失败而必须重复实验的问题。在虚拟实验环境中,学生可以复制自己的实验流程,根据实验需要只更改一些实验因素参数,就能迅速得到实验结果。虚拟实验突破了实验因素参素控制带来的实验障碍,提高了实验效率,加大了实验教学的容量,强化了学生对知识的理解与掌握。

  4应用虚拟空间保证实验安全

  实验探究是学生学习理科知识的重要途径。在理科学习中,学生都需要通过观察实验→获得数据→分析比较数据→观察事物内在的规律→得到结论验证猜想。通过实验,学生能自主地学到知识,培养科学素养。学生的实验技能决定实验的质量,这些实验技能有些是从书中得到的,有些是在实践中得到的。

  在传统理科实验中,教师出于种种因素的限制,有可能不愿意让学生深入地开展实验。比如:学生在开展传统实验时,可能会打破玻璃仪器,操作不当可能会损坏器材,造成实验失败,也可能会造成事故,甚至学生会故意破坏实验仪器。教学器材有限,为了避免器材损失,有时教师会考虑少做实验,改为讲解实验或是课堂演示实验,避免实验过程中人为事故的发生,保证学生在实验教学中的人身安全。

  有些实验是具有高危性的,学生一旦操作失误,可能会带来严重后果。以引导学生学习“浓硫酸稀释的操作方法”为例,如果教师直接告诉学生稀释浓硫酸的方法只能是把浓硫酸沿着杯壁缓缓倒入水中,而不能把水直接倒入浓硫酸中,部分学生没有真正理解,一旦实验操作失误,不仅他们可能会受到伤害,周围的学生也可能会受到伤害。

  在虚拟实验环境中,实验失败了也不会有严重的后果,如教师可以引导学生用虚拟实验软件(如Flash)来了解将水直接倒入浓硫酸中造成的后果。通过虚拟实验,学生会看到将水直接倒入浓硫酸中,浓硫酸四溅伤人的后果,直观的多媒体动画会给他们留下深刻的印象,知道绝不能把水直接倒入浓硫酸中。教师可引导学生思考:假设把浓硫酸缓缓倒入水中呢?或把浓硫酸迅速倒入水中呢?学生通过虚拟实验可了解错误实验方法带来的后果,并思考以上实验后果出现的原理。

  教师可以应用安全的虚拟实验空间环境引导学生多做虚拟实验,多思考理论知识,让虚拟实验成为培养学生实验技能的重要利器。当具备了实验技能以后,学生便能根据学习的需求自如地选择做虚拟实验或实体实验,完成学习研究任务。

  5总结

  虚拟现实技术为实验教学开辟了一个新的空间,在这个空间里,教师可以突破传统实验教学的限制,弥补目前实验教学的不足,优化实验教学氛围。教师在开展实验教学时,要针对教学的目的,仔细分析如何发挥虚拟实验教学的优势,让学生能够更加高效地通过实验来吸收知识、巩固知识、提高学习效率。笔者相信,只要教师合理地应用虚拟实验这种现代教育技术,一定能优化实验教学的空间环境,提高实验教学的效率。

  参考文献

  [1]由继红.虚拟实验室研究概述[J].生命科学仪器,2014(Z1):34-37.

  [2]李平,毛昌杰,徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索,2013(11):5-8.

  [3]周宝成,黄建花.建立虚拟化学实验室进一步开放实验室[J].教育教学论坛,2013(1):248-249.

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